任南琪院士：城市水系統發展曆程分析與趨勢展望
對于我國而言，淡水資源總量僅占全球的6%，人均水資源占有量僅爲世界平均水平的1/4。改革開放以來，我國利用有限的水資源支撐了大規模的工業化和城鎮化進程，但同時也帶來了具有複雜性、挑戰性和多樣性的水環境汙染和水資源短缺問題，國家的水生態安全受到了嚴峻挑戰。
城市水系統是社會、經濟和環境要素共生發展的産物，是水的自然循環和社會循環的耦合載體，包括城市地表水和地下水、城市供水、城市排水、城市再生水、城市內澇防治以及城市河湖水體等系統單元。優化重構城市水系統的建設和發展模式，是統籌水資源、水環境、水生態治理的關鍵抓手，是全面提升城市水資源利用效率、保障國家水安全、促進經濟高質量發展的重要舉措。
城市水系統以水的社會和自然循環爲對象，研究其水量和水質的複雜變化規律以及水生態安全保障的工程技術問題，以實現水資源健康循環和可持續利用。城市水系統的建設與發展需面向新時代國家生態文明建設的總體方針和需求，以“提高水資源效率、提升水環境質量、恢複水生態功能、保障水健康循環”爲導向，遵循“因地制宜、科學規劃、綠色低碳、經濟高效”的原則，滿足人民日益增長的安全用水需求，實現城市可持續發展、自然生態系統健康、人居環境質量改善的協調統一。
本文基于曆史視角梳理了城市水系統的發展曆程，分析和總結各曆史時期城市水系統叠代發展的背景、取得的成就和存在的不足，並探討未來城市水系統創新發展的若幹關鍵任務和要點，爲深入實施國家節水行動方案、推進水資源節約集約利用提供科學建議，以滿足增進人類福祉和保障水生態安全的重大需求。
自古以來，城市的發展離不開水，基本遵循“依水而居、因水而興”的普遍規律。清潔的水資源滿足了城市生産生活、生態宜居、航行運輸、景觀娛樂等多種需求。縱觀曆史，城市水系統隨著城市的興起而出現，也伴隨城市化進程而變革，是人類文明發展的重要組成部分之一。我國5000多年文明發展史中，城市發展的曆史可分爲古代、近代、現代等不同階段，相應地，城市水系統的發展史也可根據其建設模式和技術特征劃分爲古代、近代和現代等三個階段。
據考古發現，3000年前我國商朝都城殷墟就已擁有具備供排水功能的城市水系統雛形。隨著生産力發展，特別是畜牧業、手工業、商業社會分工的出現，人類開始聚居並形成了城市。此時，城市水系統的主要功能是滿足居民飲水需求，其特征是以井水、泉水以及河渠湖池爲主要水源，通過建造基于重力作用的管渠系統以及一些簡單的配套設施實現城市居民用水供應。在排水方面，居民産生的尿液和糞便，起初是由周邊的庭院或農田消納，伴隨人口增長和城區民宅日益密集，人們開始通過修建簡易排水溝渠以及陶制管道將汙水、雨水就近排入自然水體，城市合流制排水系統的雛形就此形成。
18世紀中葉第一次工業革命爆發後，全球城市人口快速增長，社會經濟飛速發展，但也造成了人類史上第一次大規模的環境汙染。城市居民日益增加，日常産生的尿液、糞便、垃圾得不到及時處理，直接排入自然水體，造成了城市水源汙染，繼而引發了霍亂、傷寒等介水傳播疾病。爲解決水源汙染以及環境衛生問題，城市供水系統日臻完善。初期，主要通過工程規模擴張來應對問題，例如，將取水口向河流上遊遷移或者修建遠距離排水管道，但這些措施無法長效地解決問題。水质净化（例如过滤和消毒）和污水处理（例如早期沉淀分离，以及1912年英国人发明的活性污泥法）工艺的出现，成为近代城市水系統发展完善的标志。
現代城市水系統
自20世紀中葉至今，得益于民衆環保意識的覺醒和科學技術的發展，給水和汙水處理工藝技術也在不斷地優化升級，新型處理技術層出不窮。然而，伴隨當前城市人口增長和經濟的高速發展，城市可持續發展面臨水資源短缺、排水溢流汙染、河湖富營養化等新的挑戰。這些問題既破環了水生態健康，又極大限制了經濟社會發展。另一方面，人們也開始意識到開源節流的重要性。推廣使用節水器具，開發再生水、雨水和海水等非常規水源，規劃設計分流制排水系統，采取合流制溢流控制策略等措施成爲當前城市水系統創新發展的方向。其中最爲重要的變革，是人們開始基于系統思維重新思考傳統城市水系統的規劃設計和運行管理模式，而海綿城市與智慧水務的提出和實踐，則是當代城市水系統創新發展的重要代表。
海綿城市的起源與發展
2013年，習近平總書記在中央城鎮化會議中提出要建設自然積存、自然滲透、自然淨化的海綿城市，這是新時代城市水資源管理和水生態環境改善的新理念。海綿城市是指城市在適應環境變化和應對自然災害等方面具有良好的“彈性”和“韌性”，海綿城市建設旨在重點解決城市澇災與城市水體汙染等問題，充分考慮水資源、水環境、水生態、水安全、水文化，滿足城市水系統的統籌管理、保護與利用，實現“藍綠融合”、“灰綠結合”，緩解熱島效應，確保生態優先、綠色低碳發展。
海綿城市建設是具有中國特色的城市水系統綜合治理理念，基于海綿城市理念提出的城市水循環系統4.0，針對“源—網—廠—河湖”關鍵單元的統籌考慮，是對當代城市水系統的完善和提升。2014年以來，國務院及住房和城鄉建設部相繼發布《關于推進海綿城市建設的指導意見》《海綿城市建設技術指南》及《海綿城市建設績效評價與考核辦法（試行）》等，部署推進海綿城市建設工作。自2015年起，我國部分城市開展了海綿城市試點，並在解決城市內澇、水資源短缺以及水環境質量惡化等方面取得了顯著成效，也得到了國際認可和重視。
智慧水務的提出與發展
近代：發展水質淨化基礎理論和工藝技術
現代：完善水汙染控制和水質安全保障體系
20世紀中葉，工業發展和環境質量問題日益突出，一系列新型的水處理技術、工藝形式和理論得以開發和應用。飲用水廠采用臭氧—活性炭技術或超濾工藝，有效去除了水中低濃度有毒有機物和重金屬，汙水廠增設過濾、活性炭、離子交換和消毒單元進一步提升出水水質。由此，城市水系統在實現水汙染控制和飲用水安全保障等方面取得了巨大成就。20世紀60年代，美國提出了“21世紀水廠”概念並進行了實踐，通過對傳統汙水處理工藝的出水進行微濾、超濾、紫外消毒的再處理，將汙水處理標准提升至飲用水標准，而後注入地下含水層，實現間接飲用的目的，這一創新實踐對汙水再生利用産生了深遠影響。此外新加坡的“NEWater新生水”工藝、中國的海綿城市、汙水資源概念廠等系列創新舉措，都爲城市水系統的未來發展指明了重要方向。
城市是自然生態系統和人工技術耦合的複雜體系，水系統作爲其重要組成部分，同樣具有不可忽視的生態性。城市水系統是城市圈內水資源與社會、環境和生態各要素之間相互作用而形成的以水爲中心的複雜系統，具有汙染淨化、環境調節、水文調節、景觀娛樂和水源補給等重要功能。然而在既有的治水實踐過程中，城市水資源供給、水環境治理及水安全保障過度依賴灰色基礎設施，強調借助工程技術解決水問題，通過投入大量的能源和藥劑實現水安全保障，並未充分發揮自然系統的生態服務功能，“灰綠”基礎設施融合不充分、系統耦合不緊密，造成城市水系統運行能耗物耗高、碳排放量大等問題，既有城市水系統距離綠色低碳目標仍有較大的發展空間。
缺乏系統性
城市水系統是複雜城市大系統的重要組成部分，是水自然循環和社會循環在城市空間的耦合，涉及城市水資源開發、利用、保護和管理的全過程。在城市水系統規模較小時，各系統單元的功能相對單一，互動過程也較爲簡單，雖然彼此之間存在聯系但並不緊密。
然而，隨著水源汙染加劇和用水需求增加，各系統單元之間的關系逐漸發生變化，例如一些城市因水源汙染而需要在淨水廠前端設置汙水處理設施對原水進行預處理，而一些城市因缺水需要對汙水廠的出水進行深度處理後作再生水利用。此時，供水和排水兩個系統單元便相互交織成爲了一體。城市水源、供水、用水、排水等系統單元之間的關系變得越來越密切，相互間的制約或支撐作用也越來越明顯。然而，既有的城市水系統規劃管理往往是借助現代工程措施快速解決局部的水問題，城市水務管理只負責供水、排水與汙水處理中的部分環節，沒有實現全方位、全地域、全過程治理，顯然難以適應城市水系統的整體性要求。
城市水系統創新發展任務與展望
基于以上回顧和總結，探討在新時代生態文明建設新要求下，未來城市水系統創新發展的主要任務和關鍵要點，爲新形勢下深入實施國家節水行動、大力推進水資源節約集約利用提供參考借鑒。
提高傳統水資源利用效率，豐富非常規水源的開發利用途徑，形成水量充沛、水質優良、安全高效的水資源保障體系，實現水資源的可持續利用，按照以水定城、以水定地、以水定人、以水定産“四水四定”原則，助力經濟高質量發展。
加強城市汙水綜合整治，推進雨汙分流制排水系統完善和汙水處理提質增效協同綠色低碳發展，有效控制城市水體汙染和消除黑臭，以進一步完善城市功能，提升城市品位，改善人居環境。
建設功能複合、綠色生態的城市水基礎設施，實現“藍綠融合連片”“灰綠結合低碳”，將水系統各類設施因地制宜、統籌考慮，保護和修複山水林田湖草沙等生態空間，樹立以生態功能發揮、生態安全保障和生物多樣性構建爲指導的水體保護理念。
探索非常規水源的生態融合與資源高效利用
涉水基礎設施作爲城市建設的重要組成部分，是民生保障的基石。未來，涉水基礎設施的建設應統籌發揮自然生態功能和人工幹預功能，即充分利用城市河湖水系和自然土壤、人工濕地等“藍色”和“綠色”自然生態系統，科學強化管渠系統、物化淨水單元等城市的“灰色”基礎設施建設。在城市水系統基礎設施規劃管理中，充分協調統籌“藍”“綠”“灰”三類基礎設施，並與城市土地利用規劃、水系統優化布局等城市綜合規劃和涉水專項規劃相協調、相適應。
維持水生態的健康完整是發揮水生態功能的關鍵。水生態完整性包括水文情勢時空變異性、河湖地貌形態空間異質性、河湖水系三維連通性、適宜生物生存的水體物化特性、食物網結構和生物多樣性。各生態要素相互作用，形成完整的結構並具備一定的生態功能。未來，应将生态学理念与环境工程方法充分融合，以“生态优先、绿色低碳”为目标，重构城市的水生态完整性，维系水生物多样性，恢複水生態功能，构建可持续的城市水系统，支撑城市的高质量发展。
發展城市水系統智慧感知與風險防控體系
城市水系統具有系統性、整體性、複雜性和面向未來的不確定性，對其進行全過程、全要素的智慧管控具有重要意義。未來，城市水系統需結合社會、經濟、環境和生態全要素大數據信息，開展數字規劃和前瞻設計，以應對人口發展、氣候變化和突發疫情等不確定因素對城市水系統安全的影響。應構建空天地一體化環境大數據與人工智能平台，實時感知城市水系統的狀態變化與面臨的潛在風險，構建智慧化的風險防控體系，實現城市水系統的優化管理。
